[发明专利]一种利用中子加热等离子体的方法

说明书

技术领域

本发明属于磁约束聚变技术领域，具体涉及一种利用中子对磁约束装置（托卡马克和磁镜等）中由锂6、氚、氘组成的混合物进行加热从而建立可实现磁约束聚变反应的等离子体的方法及相关的系统方案设计，用于解决目前托卡马克聚变实验装置面临的加热方式与氚自持之间的矛盾，并实现磁约束聚变装置小型化应用的可能。

背景技术

根据目前的磁约束等离子体聚变控制技术发展趋势，国际热核聚变实验堆(ITER)后的磁约束聚变示范堆将主要采用氘氚作为基本燃料。氘在自然界中的含量较为丰富，但氚在自然界中含量极为稀少（大气中总量不足1公斤），必须通过聚变堆的氚增殖包层实现氚自持（既一个氚参与聚变反应产生一个中子，该中子被增殖包层中的锂吸收又产生一个氚继续参与聚变反应）。一般采用包层产氚率（TBR）来反映氚增殖包层概念设计是否能满足聚变堆氚自持的需要。一般来说氚增殖包层的TBR应该大于1，考虑到氚在循环过程中的损失以及为下一个聚变堆装置提供足够的启动氚以尽快实现聚变堆的规模倍增，一些学者认为ITER后的聚变示范堆的TBR应该大于1.15。这对聚变堆氚增殖包层的概念设计而言已经是一个很严峻的挑战。

而目前的磁约束等离子体聚变装置多采用托卡马克构型，托卡马克聚变装置一般采用欧姆加热方式形成等离子体，即利用中心螺线管线圈（也就是欧姆线圈）在等离子体环内产生交变磁通用来击穿真空室内的气体而产生等离子体。这种加热方式产生的等离子体的能量约束会受到欧姆线圈的伏秒数的限制，特别是对于超导型托卡马克聚变装置，还有电流爬坡的很多技术限制，因此一般超导型托卡马克聚变装置都会采用辅助加热的方式，包括电子回旋、离子回旋、地杂波和中性束加热等。但是这些辅助加热方式比如中性束加热需要在托卡马克赤道面开出多个窗口，这些窗口处本身是中子通量最大的区域，从聚变堆氚自持的角度需要充分利用这些窗口的大中子通量放置产氚包层模块提高聚变堆的TBR。而由于这些辅助加热设备占据了多个窗口位置，实际上会造成大量的聚变中子从这些窗口处逃逸，大幅降低聚变堆整体的TBR，从而导致基于这种加热方式的聚变堆很难实现氚自持。

另外，这些加热方式的能耗都非常，以500MW聚变功率的ITER为例，电子回旋、离子回旋和中性束加热设备需要向装置注入功率达到近80MW，而考虑到能量转换效率，这些辅助加热设备要完成对ITER内等离子体近80MW的功率输入，需要200-300MW的外部能量供给。因此采用这些辅助加热方式将使作为能源解决方案的托卡马克型聚变堆毫无经济性可言。

针对目前磁约束聚变装置采用的辅助加热方式存在的高能耗以及与氚自持不兼容的问题，我们提出了一种利用中子对磁约束装置中的等离子体进行辅助加热的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用中子对磁约束装置（托卡马克和磁镜等）中由锂6、氚、氘组成的混合物进行加热从而建立可实现磁约束聚变反应的等离子体的方法及系统方案，用于解决目前托卡马克聚变实验装置面临的加热方式与氚自持之间的矛盾，并实现磁约束聚变装置小型化应用的可能。

为实现上述目的，本发明的技术方案为，一种利用中子对磁约束聚变装置中的等离子体进行加热的方法及相关的系统方案，该方法及系统方案包括以下特征：

一，一种利用中子轰击磁约束等离子聚变装置容器内的锂（以球状或片状颗粒、原子团簇、离子核、中性原子形式存在），使其发生裂变反应产生MeV级的高能氦核和氚核，从而对磁约束装置中的等离子体实施辅助加热以达到及维持聚变反应条件的方法。该方法提到的中子有两种来源：一种是来自外部插入的放射性同位素中子源提供的外来中子，一种是聚变反应产生的聚变中子，这些中子通过磁约束装置容器壁上的包层实现倍增、慢化及反射。

二，与目前的磁约束等离子体聚变装置加热方法主要是针对氘氚混合等离子体不同的是：加热方法形成的等离子体主要有锂核、氘核、氚核、氦核及电子组成。

三，本方法适用的磁约束等离子聚变装置类型包括托卡马克、球马克、反场箍缩、大螺旋器、仿星器以及磁镜装置。

四，所述磁约束装置容器壁上的包层位于磁约束装置的容器壁内侧，直接面向等离子体。该包层的主体为球床结构，选用用铍或铍合金小球作为中子倍增剂、中子慢化剂以及中子反射屏蔽层材料，选用锆合金作为结构材料，选用高压氦气（工作压力在1-7MPa之间）作为冷却剂,氦气通入球床内部，直接与铍小球实现换热。

五，本发明所述方法实施加热包括以下几个步骤：